JP4036057B2 - 内燃機関の吸気弁駆動制御装置 - Google Patents

内燃機関の吸気弁駆動制御装置 Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、吸気弁の可変動弁機構として、吸気弁の作動角を連続的に拡大,縮小制御可能な作動角可変機構と、吸気弁のリフト中心角の位相を遅進させる位相可変機構と、を備えた内燃機関の吸気弁駆動制御装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
機関運転条件に最適なバルブリフト特性を得るために、吸気弁の作動角を連続的に拡大,縮小制御可能な作動角可変機構と、吸気弁のリフト中心角の位相を遅進させる位相可変機構と、を組み合わせた可変動弁機構が、例えば本出願人による特開2001−280167号公報によって既に公知となっている。
【0003】
また、特開2001−263104号公報には、電磁駆動式の吸気弁および排気弁を用い、シリンダ内の残留ガスの割合を目標値に得るように、吸気弁閉時期と排気弁閉時期とを制御する技術が開示されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような作動角可変機構と位相可変機構とを組み合わせた構成では、ある一つのバルブリフト特性は、作動角可変機構により制御される作動角と、位相可変機構により制御される位相と、の双方によって実現されることになるが、例えば、機関運転条件(機関回転速度、負荷)に対して作動角を割り付けた作動角制御マップと、同じく機関運転条件に対して位相を割り付けた位相制御マップと、を用いて、作動角および位相を個々に制御しようとすると、膨大なマップが必要となる。しかも、外気温や高度等、燃焼状態に関係する運転環境の変化などに対し補正を加えるような場合に、作動角および位相が個々に制御されていると、その最適化や実際の演算処理が極めて煩雑である。
【0005】
一方、上記特開2001−263104号公報の技術は、電磁駆動式の吸気弁および排気弁を用いたものであり、上記のように作動角可変機構と位相可変機構とを組み合わせた場合のそれぞれの制御の問題を解決し得るものではない。
【0006】
【課題を解決するための手段】
この発明の吸気弁駆動制御装置は、吸気弁の作動角を連続的に拡大,縮小制御可能な作動角可変機構と、吸気弁のリフト中心角の位相を遅進させる位相可変機構と、を用いたものであり、上記作動角と上記位相とによって吸気弁のバルブタイミングが定まり、このバルブタイミングによって吸気量が制御されるようになっている。
【0007】
そして、特に、本発明では、アクセル開度から必要空気量を求めるとともに、この必要空気量と機関回転速度から許容残留ガス量を求め、上記必要空気量と上記許容残留ガス量とがシリンダ内に入るように最適な吸気弁開時期および吸気弁閉時期を算出し、これらの吸気弁開時期および吸気弁閉時期から上記作動角および上記位相を決定する。
【0008】
すなわち、アクセル開度から要求トルクひいては必要空気量が定まる。必要空気量と機関回転速度と許容残留ガス量とは、概ね図10に示すような関係となっている。従って、例えば、この関係をマップ化し、参照することで、そのときの許容残留ガス量が求められる。なお、例えば、高度や外気温が変化し、許容残留ガス率が低下したときには、図10の関係から定まる基本の許容残留ガス量に低下率を乗じることで、その補正が容易に可能である。
【0009】
一方、吸気弁開時期(IVO)から吸気弁閉時期(IVC)までのシリンダ内のガス流れは、図11のように変化する。図の(a)はIVOでの状態、(b)は吸気上死点での状態、(c)はIVCでの状態、をそれぞれ示している。また、図中のVEG1は、許容残留ガス量のうち、シリンダからの吹き返し量、VEG2は、許容残留ガス量のうち、排気ポートから一旦吸気ポートへ吹き抜けた吹き抜け量、VEG3は、許容残留ガス量のうち、シリンダ内の残留量、VEGは、許容残留ガス量(つまりVEG1+VEG2+VEG3)、VFRは、新気つまり必要空気量である。図示するように、IVOによって吹き返し量VEG1および吹き抜け量VEG2が定まり、またこれらは吸気ポートから最終的にシリンダ内に戻ってくるので、IVCによって総ガス量(VEG+VFR)が定まる。従って、そのときの必要空気量VFRと許容残留ガス量VEGとから、必要なIVOおよびIVCが決定される。
【0010】
そして、IVO〜IVCの角度として作動角が求められ、IVO〜IVCの例えば中央の点として位相が求められるので、これに沿って、作動角可変機構および位相可変機構が駆動される。
【0011】
【発明の効果】
本発明によれば、必要なIVOおよびIVCを決定し、これらから作動角および位相を算出して作動角可変機構および位相可変機構を制御するので、膨大な制御マップが不要となり、制御の簡素化が可能となる。
【0012】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の好ましい実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【0013】
図1は、この発明をV型6気筒のガソリン機関1に適用した実施例を示しており、左右バンクの吸気弁3側に、後述する可変動弁機構2がそれぞれ設けられている。排気弁4側の動弁機構は、排気カムシャフト5により排気弁4を駆動する直動型のものであり、そのバルブリフト特性は、常に一定である。
【0014】
左右バンクの排気マニホルド6は、触媒コンバータ7に接続され、かつこの触媒コンバータ7の上流位置に、排気空燃比を検出する空燃比センサ8が設けられている。左右バンクの排気通路9は、触媒コンバータ7の下流側で合流し、さらに下流に、第2の触媒コンバータ10および消音器11を備えている。
【0015】
各気筒の吸気ポートにはブランチ通路15が接続され、かつこの6本のブランチ通路15の上流端が、コレクタ16にそれぞれ接続されている。上記コレクタ16の一端には、吸気入口通路17が接続されており、この吸気入口通路17に、負圧生成用の電子制御スロットル弁18が設けられている。この電子制御スロットル弁18は、電気モータからなるアクチュエータを備え、エンジンコントロールユニット19から与えられる制御信号によって、その開度が制御される。なお、スロットル弁18の実際の開度を検出する図示せぬセンサを一体に備えており、その検出信号に基づいて、スロットル弁開度が目標開度にクローズドループ制御される。また、スロットル弁18の上流に、吸入空気流量を検出するエアフロメータ25が配置され、さらに上流にエアクリーナ20が設けられている。
【0016】
また、機関回転速度およびクランク角位置を検出するために、クランクシャフトに対してクランク角センサ21が設けられており、さらに、運転者により操作されるアクセルペダル開度(踏込量)を検出するアクセル開度センサ22を備えている。これらの検出信号は、上記のエアフロメータ25や空燃比センサ8の検出信号とともに、エンジンコントロールユニット19に入力されている。エンジンコントロールユニット19では、これらの検出信号に基づいて、燃料噴射弁23の噴射量や噴射時期、点火プラグ24による点火時期、可変動弁機構2によるバルブリフト特性、スロットル弁18の開度、などを制御する。
【0017】
次に、図2に基づいて吸気弁3側の可変動弁機構2の構成を説明する。この可変動弁機構2は、吸気弁のリフト・作動角を変化させるリフト・作動角可変機構51と、そのリフトの中心角の位相(図示せぬクランクシャフトに対する位相)を進角もしくは遅角させる位相可変機構71と、が組み合わされて構成されている。
【0018】
まず、リフト・作動角可変機構51を説明する。なお、このリフト・作動角可変機構1は、本出願人が先に提案したものであるが、例えば上記の特開2001−280167号公報や特開2002−89303号公報等によって公知となっているので、その概要のみを説明する。
【0019】
リフト・作動角可変機構51は、シリンダヘッドに摺動自在に設けられた上記の吸気弁3と、シリンダヘッド上部のカムブラケット(図示せず)に回転自在に支持された駆動軸52と、この駆動軸52に、圧入等により固定された偏心カム53と、上記駆動軸52の上方位置に同じカムブラケットによって回転自在に支持されるとともに駆動軸52と平行に配置された制御軸62と、この制御軸62の偏心カム部68に揺動自在に支持されたロッカアーム56と、各吸気弁3の上端部に配置されたタペット60に当接する揺動カム59と、を備えている。上記偏心カム53とロッカアーム56とはリンクアーム54によって連係されており、ロッカアーム56と揺動カム59とは、リンク部材58によって連係されている。
【0020】
上記駆動軸52は、後述するように、タイミングチェーンないしはタイミングベルトを介して機関のクランクシャフトによって駆動されるものである。
【0021】
上記偏心カム53は、円形外周面を有し、該外周面の中心が駆動軸52の軸心から所定量だけオフセットしているとともに、この外周面に、リンクアーム54の環状部が回転可能に嵌合している。
【0022】
上記ロッカアーム56は、略中央部が上記偏心カム部68によって揺動可能に支持されており、その一端部に、連結ピン55を介して上記リンクアーム54のアーム部が連係しているとともに、他端部に、連結ピン57を介して上記リンク部材58の上端部が連係している。上記偏心カム部68は、制御軸62の軸心から偏心しており、従って、制御軸62の角度位置に応じてロッカアーム56の揺動中心は変化する。
【0023】
上記揺動カム59は、駆動軸52の外周に嵌合して回転自在に支持されており、側方へ延びた端部に、連結ピン67を介して上記リンク部材58の下端部が連係している。この揺動カム59の下面には、駆動軸52と同心状の円弧をなす基円面と、該基円面から所定の曲線を描いて延びるカム面と、が連続して形成されており、これらの基円面ならびにカム面が、揺動カム59の揺動位置に応じてタペット60の上面に当接するようになっている。
【0024】
すなわち、上記基円面はベースサークル区間として、リフト量が0となる区間であり、揺動カム59が揺動してカム面がタペット60に接触すると、徐々にリフトしていくことになる。なお、ベースサークル区間とリフト区間との間には若干のランプ区間が設けられている。
【0025】
上記制御軸62は、図示するように、一端部に設けられたリフト・作動角制御用アクチュエータ63によって所定角度範囲内で回転するように構成されている。このリフト・作動角制御用アクチュエータ63は、例えばウォームギア65を介して制御軸62を駆動するサーボモータ等からなり、エンジンコントロールユニット19からの制御信号によって制御されている。なお、制御軸62の回転角度は、制御軸センサ64によって検出される。
【0026】
このリフト・作動角可変機構51の作用を説明すると、駆動軸52が回転すると、偏心カム53のカム作用によってリンクアーム54が上下動し、これに伴ってロッカアーム56が揺動する。このロッカアーム56の揺動は、リンク部材58を介して揺動カム59へ伝達され、該揺動カム59が揺動する。この揺動カム59のカム作用によって、タペット60が押圧され、吸気弁3がリフトする。
【0027】
ここで、リフト・作動角制御用アクチュエータ63を介して制御軸62の角度が変化すると、ロッカアーム56の初期位置が変化し、ひいては揺動カム59の初期揺動位置が変化する。
【0028】
例えば偏心カム部68が図の上方へ位置しているとすると、ロッカアーム56は全体として上方へ位置し、揺動カム59の連結ピン67側の端部が相対的に上方へ引き上げられた状態となる。つまり、揺動カム59の初期位置は、そのカム面がタペット60から離れる方向に傾く。従って、駆動軸52の回転に伴って揺動カム59が揺動した際に、基円面が長くタペット60に接触し続け、カム面がタペット60に接触する期間は短い。従って、リフト量が全体として小さくなり、かつその開時期から閉時期までの角度範囲つまり作動角も縮小する。
【0029】
逆に、偏心カム部68が図の下方へ位置しているとすると、ロッカアーム56は全体として下方へ位置し、揺動カム59の連結ピン67側の端部が相対的に下方へ押し下げられた状態となる。つまり、揺動カム59の初期位置は、そのカム面がタペット60に近付く方向に傾く。従って、駆動軸52の回転に伴って揺動カム59が揺動した際に、タペット60と接触する部位が基円面からカム面へと直ちに移行する。従って、リフト量が全体として大きくなり、かつその作動角も拡大する。
【0030】
上記の偏心カム部68の初期位置は連続的に変化させ得るので、これに伴って、バルブリフト特性は、連続的に変化する。つまり、リフトならびに作動角を、両者同時に、連続的に拡大,縮小させることができる。各部のレイアウトによるが、例えば、リフト・作動角の大小変化に伴い、吸気弁3の開時期と閉時期とがほぼ対称に変化する。
【0031】
次に、位相可変機構71は、図2に示すように、上記駆動軸52の前端部に設けられたスプロケット72と、このスプロケット72と上記駆動軸52とを、所定の角度範囲内において相対的に回転させる位相制御用アクチュエータ73と、から構成されている。上記スプロケット72は、図示せぬタイミングチェーンもしくはタイミングベルトを介して、クランクシャフトに連動している。上記位相制御用アクチュエータ73は、例えば油圧式、電磁式などの回転型アクチュエータからなり、エンジンコントロールユニット19からの制御信号によって制御されている。この位相制御用アクチュエータ73の作用によって、スプロケット72と駆動軸52とが相対的に回転し、バルブリフトにおけるリフト中心角が遅進する。つまり、リフト特性の曲線自体は変わらずに、全体が進角もしくは遅角する。また、この変化も、連続的に得ることができる。この位相可変機構71の制御状態は、駆動軸52の回転位置に応答する駆動軸センサ66によって検出される。
【0032】
上記のように、可変動弁機構2として、リフト・作動角可変機構51と位相可変機構71とを備えることで、両者の制御の組み合わせにより、吸気弁3のバルブリフト特性、特に吸気弁開時期(IVO)と吸気弁閉時期(IVC)とを、大幅にかつ連続的に可変制御することが可能となる。そして、基本的に、スロットル弁18に依存せずに、吸気弁3の可変制御によって吸気量を制御することが可能となっている。本実施例では、スロットル弁18は、吸気量の制御ではなく適宜な負圧を生成するために存在しており、コレクタ16内の圧力が所定の負圧つまり負圧源として必要最小限の負圧(例えば、−50mmHg)となるように、スロットル弁18の開度が概ね一定に保持され、最終的な吸気量の制御は、可変動弁機構2によってなされる。このように、スロットル弁18の開度を十分に大きく保持することで、実質的にスロットルレス運転となり、ポンピングロスが大幅に低減する。また、コレクタ16内に必要最小限の負圧が確保されることから、実用機関として必要なブローバイガスの還流などの負圧を利用した種々のシステムを、大幅な変更を要さずにそのまま適用することが可能である。なお、本発明は、スロットル弁18を具備しない完全なスロットルレスの構成としても適用することが可能である。
【0033】
次に、上記のリフト・作動角可変機構51と位相可変機構71とを運転条件に応じて制御する具体的な制御方法を説明する。
【0034】
図3は、制御の全体的な流れを示すメインフローチャートであって、まずステップ1で、アクセル開度センサ22によって検出されたアクセル開度から、必要トルクを算出し、かつステップ2で、この必要トルクに対応する必要空気量を算出する。ステップ3では、このステップ2で算出した必要空気量と、そのときの機関回転速度とから、前述した図10の関係に基づいて、例えばマップ参照により、許容残留ガス量を算出する。そして、上記の必要空気量と許容残留ガス量とから、ステップ4およびステップ5で、最適なIVCおよびIVOを算出する。
【0035】
ステップ6では、このIVOおよびIVCから作動角および位相を算出する。つまり、IVO〜IVCの角度として作動角を求め、またIVO〜IVCの間の中央の点として位相を求める。なお、ここでは、リフト中心角の位相を、下死点から進角側に計測したクランク角で表すものとし、これを「位相角」と呼ぶ。ステップ7では、これらの最適な作動角および位相が、上記のリフト・作動角可変機構51および位相可変機構71によって実現可能な範囲であるか判断し、これらの作動角限界値あるいは位相限界値を越える場合には、後述するような補正を加える。そして、最終的に決定した作動角および位相を、リフト・作動角可変機構51および位相可変機構71に、それぞれ目標値として与える。
【0036】
図4は、最適な作動角および位相が、リフト・作動角可変機構51の作動角限界値および位相可変機構71の位相限界値の範囲内である場合の作動角目標値や位相角目標値等の変化の状況を示すタイムチャートである。この例では、アクセル開度が増加したとき、つまり機関加速時の変化を示し、必要トルクおよび必要空気量がアクセル開度に伴って増加する。そして、IVOがやや進角してバルブオーバラップが拡大する一方、IVCが大きく遅角し、下死点に近付く。これにより、実質的な吸気行程が増大する。IVOとIVCの変化に伴い、作動角は増大し、かつ位相角は減少つまり遅角側へ移動する。
【0037】
一方、最適値として決定された位相まで位相可変機構71が変位できない場合には、前述したステップ7の作動角・位相角補正手段により、制限された位相の範囲内で燃費が最良となるように、IVCおよびIVOが補正される。図5および図6は、特にその位相角の制限に対する処理の流れを示すフローチャートであり、ステップ21で、算出された位相角が位相角最大値(つまり進角側の位相限界値)以下であるか判断し、位相角最大値を越えている場合には、ステップ22以降で補正を行う。
【0038】
まずステップ12で、そのときの作動角から微小量減算して、新たな作動角を求め、次にステップ13で、ステップ4において算出されたIVCとこの修正後の作動角とから、新たなIVOを算出する。ステップ14では、この新たなIVOとIVCとから、発生トルクを求める。そして、ステップ15で、この発生トルクが要求トルクに一致しているか判定する。作動角およびIVOの変更により発生トルクが変化する場合には、ステップ15からステップ18(図6)へ進み、発生トルクが要求トルクよりも増加するのか減少するのかを判断し、増加するのであれば、ステップ19で、IVCに微小量加算して進角側へ修正する。逆に発生トルクが減少するのであれば、ステップ20で、IVCから微小量減算して遅角側へ修正する。このステップ18〜20の処理は、ステップ15で発生トルクが要求トルクに一致するまで繰り返される。発生トルクが要求トルクに一致したら、ステップ16で、修正後のIVCとIVOとから位相角を求め、ステップ17で、この新たな位相角が位相角最大値以下となったか判定する。まだ位相角最大値以下に達しなければ、再びステップ12へ戻り、上述した処理を繰り返す。この結果、位相角最大値に達する作動角が求められるとともに、発生トルクが要求トルクに一致するように、IVCさらにはIVOが決定される。
【0039】
図7は、このような位相角最大値に制限される場合の作動角目標値や位相角目標値等の変化の状況を示すタイムチャートである。この例では、アクセル開度が減少した機関減速時の変化を示し、作動角が縮小しつつ位相が進角しようとするが、位相角が機構上の最大値に達した時点で、それ以上進角することができないので、位相角を最大値に保ったまま、要求トルクが得られるようにIVOおよびIVCが補正される。なお、このとき、残留ガス量が最大限に維持されるので、制限された位相の範囲内で、燃費が最良の特性となる。
【0040】
次に、図8は、最適値として決定された作動角がリフト・作動角可変機構51の機構上の限界値を越えている場合の補正処理の流れを示すフローチャートであり、ステップ31で、算出された作動角が作動角最大値以下であるか判断し、作動角最大値を越えている場合には、ステップ32以降で補正を行う。
【0041】
まずステップ32で、作動角を作動角最大値に固定する。次にステップ33で、ステップ4において算出されたIVCから、発生トルクを求める。そして、ステップ34で、この発生トルクが要求トルクに一致しているか判定する。発生トルクが要求トルクに一致していない場合には、ステップ35へ進み、発生トルクが要求トルクよりも増加するのか減少するのかを判断し、増加するのであれば、ステップ36で、IVCに微小量加算して進角側へ修正する。逆に発生トルクが減少するのであれば、ステップ37で、IVCから微小量減算して遅角側へ修正する。このステップ35〜37の処理は、ステップ34で発生トルクが要求トルクに一致するまで繰り返される。この結果、作動角が最大値に維持されるとともに、発生トルクが要求トルクに一致するように、IVCさらにはIVOが決定される。
【0042】
図9は、このような作動角最大値に制限される場合の作動角目標値や位相角目標値等の変化の状況を示すタイムチャートである。この例では、アクセル開度が増加した機関加速時の変化を示し、作動角が増加しつつ位相が遅角しようとするが、作動角が機構上の最大値に達した時点で、それ以上拡大することができないので、作動角を最大値に保ったまま、要求トルクが得られるようにIVOおよびIVCが補正される。なお、このとき、やはり残留ガス量が最大限に維持されるので、制限された作動角の範囲内で、燃費が最良の特性となる。
【0043】
なお、上記実施例では、作動角可変機構として、リフトと作動角とが同時に変化するリフト・作動角可変機構51を用いているが、最大リフトが一定のまま作動角が変化する形式の機構を利用することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明に係る吸気弁駆動制御装置を備えた内燃機関の構成説明図。
【図2】可変動弁機構の構成を示す斜視図。
【図3】作動角および位相の制御を示すメインフローチャート。
【図4】機関加速時の作動角や位相等の変化を示すタイムチャート。
【図5】位相角が制限される場合の補正制御を示すフローチャート。
【図6】図5に続くフローチャート。
【図7】位相角が制限されたときの作動角や位相等の変化を示すタイムチャート。
【図8】作動角が制限される場合の補正制御を示すフローチャート。
【図9】作動角が制限されたときの作動角や位相等の変化を示すタイムチャート。
【図10】必要空気量と機関回転速度と許容残留ガス量との関係を示す特性図。
【図11】IVOからIVCまでのシリンダ内のガス流れを説明する説明図。
【符号の説明】
2…可変動弁機構
19…エンジンコントロールユニット
51…リフト・作動角可変機構
71…位相可変機構

Claims (3)

  1. 吸気弁の作動角を連続的に拡大,縮小制御可能な作動角可変機構と、吸気弁のリフト中心角の位相を遅進させる位相可変機構と、を備え、上記作動角と上記位相とによって定まる吸気弁のバルブタイミングによって吸気量を制御する内燃機関の吸気弁駆動制御装置において、
    アクセル開度から必要空気量を求めるとともに、この必要空気量と機関回転速度から許容残留ガス量を求め、上記必要空気量と上記許容残留ガス量とがシリンダ内に入るように最適な吸気弁開時期および吸気弁閉時期を算出するべく、上記許容残留ガス量を用いて、上記許容残留ガス量のうちもともとシリンダ内にあったものが一旦吸気ポートへと流れ、最終的にシリンダ内に戻ったガス量であるシリンダからの吹き返し量と、上記許容残留ガス量のうち排気ポートから一旦吸気ポートへ流れ、最終的にシリンダ内に戻ったガス量である吹き抜け量と、を決定する吸気弁開時期を算出し、上記必要空気量と上記許容残留ガス量とを用いて、上記必要空気量と上記許容残留ガス量との和となる総ガス量を決定する吸気弁閉時期を算出し、これらの吸気弁開時期および吸気弁閉時期から上記作動角および上記位相を決定することを特徴とする内燃機関の吸気弁駆動制御装置。
  2. 最適な吸気弁開時期および吸気弁閉時期に対応した作動角が上記作動角可変機構の作動角限界値を越える場合に、該作動角限界値の下で必要トルクが発生するように上記位相を補正することを特徴とする請求項1に記載の内燃機関の吸気弁駆動制御装置。
  3. 最適な吸気弁開時期および吸気弁閉時期に対応した位相が上記位相可変機構の位相限界値を越える場合に、該位相限界値の下で必要トルクが発生するように上記作動角を補正することを特徴とする請求項1または2に記載の内燃機関の吸気弁駆動制御装置。
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